CN104124035A - 电抗器 - Google Patents

Abstract

一种能够设置在叠置的冷却器之间的电抗器，该电抗器包括扁平壳体（10）、一对线圈（12）以及芯材（3、4）。该对线圈：（i）位于扁平壳体（10）中，（ii）沿彼此相反的方向卷绕，以及（iii）设置成在线圈的径向方向上彼此相邻。芯材覆盖扁平壳体中的线圈。

Description

电抗器

技术领域

本发明涉及一种包括线圈的电抗器。

背景技术

将电池的输出功率转换至用于驱动移动马达的合适功率的功率变换器安装在诸如混合动力电动车辆之类的电动车辆中。由于这种电力变换器处理大电流，因此采用具有大的容许电流的装置用于逆变器电路和电压变换器电路中。所述具有大的容许电流的装置产生大量热量，并且产生相当大量热量的装置中的一个装置为包括在电压变换器电路中的电抗器。

对于电抗器，例如，已知日本专利申请公报No.2001-244123（JP2001-244123A）中公开的技术。JP2001-244123A公开了一种表面安装型电抗器，该电抗器由上铁氧体磁膜和下铁氧体磁膜以及介于上铁氧体磁膜与下铁氧体磁膜之间的扁平线圈形成。上铁氧体磁膜的与线圈的端子相对应的一部分中形成有开口，并且在上铁氧体上形成有穿过该开口且与线圈的端子进行传导的外部电极。

发明内容

用于功率变换器的电抗器由于其处理大电流而趋于大尺寸。同时，为了安装在混合动力电动车辆等中而已经需要这种电抗器的尺寸减小。另外，由于大量热量的产生，已经需要能够便于冷却并且增大感应的结构。因此，本文中公开的技术提供了一种能够增大感应、尺寸小并且能够易于被冷却的电抗器。

本发明的第一方面为能够设置在叠置的冷却器之间的电抗器。该电抗器包括扁平壳体、一对线圈以及芯材。所述一对线圈:（i）位于扁平壳体中，（ii）沿彼此相反的方向卷绕，以及（iii）设置成在线圈的径向方向上彼此相邻。芯材覆盖扁平壳体中的线圈。

根据这种构型，在电流流过所述一对线圈时在所述一对线圈中产生彼此相反的磁通。然后，相反的磁通彼此结合以产生大磁通。这能增大电抗器的感应。另外，扁平壳体尽管其尺寸较小但仍能够保证与冷却器中的每一个相接触的区域。因此，可以提供能够增大感应、尺寸小并且能够易于被冷却的电抗器。

在以上电抗器中，所述一对线圈中的线圈可以在与卷绕线圈的轴向方向相交的方向上对齐。

在以上电抗器中，芯材包括高透磁率芯材和低透磁率芯材。高透磁率芯材可以覆盖所述一对线圈中的每个线圈的第一部分。低透磁率芯材可以覆盖高透磁率芯材以及所述一对线圈中的每个线圈的未被高透磁率芯材覆盖的第二部分。这里，“芯材”指用作线圈的芯的物质，“高透磁率”和“低透磁率”总体上是相对的表述，并且高透磁率芯材是由具有比低透磁率芯材更高的透磁率的材料形成。

根据所述那样的构型，由于在所述一对线圈中产生的大磁通穿过具有高透磁率的高透磁率芯材，因此可以抑制所述一对线圈的相邻部分中的磁通的泄露。相应地，可以抑制电抗器周围的由磁通的泄露引起的涡流的产生，并且因此可以抑制涡流损失。另外，低透磁率芯材设置在高透磁率芯材周围。因此，即使在高透磁率芯材磁饱和时，磁通仍穿过高透磁率芯材周围的低透磁率芯材，并且可以防止在扁平壳体中芯材作为整体的磁饱和。

在上述电抗器中，所述一对线圈可以包括第一线圈和第二线圈。第一线圈的第一部分和第二线圈的第一部分面向彼此并且可以被高透磁率芯材覆盖，而第一线圈的第二部分和第二线圈的第二部分可以不面向彼此并且可以不被高透磁率芯材覆盖。

在上述电抗器中，所述一对线圈中的线圈的在径向方向上的外周可以彼此接触。根据这种构型，因为一对线圈的相邻部分彼此接触并且线圈可以以紧密配合的方式设置在扁平壳体中，所以可以减小扁平壳体的尺寸。因此，可以减小电抗器的尺寸。

附图说明

下面将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术上的和工业上的意义进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1为根据实施方式的电抗器的立体图；

图2为沿图1的线II-II截取的截面图；

图3为沿图2的线III-III截取的截面图；

图4为用于描述用于高透磁率芯材和低透磁率芯材的材料的曲线图；

图5为包括电抗器的功率变换器的立体图；

图6为根据另一实施方式的电抗器的截面图；

图7为根据又一实施方式的电抗器的立体图；

图8为沿图7的线VIII-VIII截取的截面图；以及

图9为根据又一实施方式的电抗器的截面图。

具体实施方式

下文中将参照附图对实施方式进行描述。图1为根据实施方式的电抗器的立体图。图2为沿图1的线II-II截取的截面图，并且图3为沿图2的线III-III截取的截面图。在图1中，壳体（扁平壳体）10的一部分是开放的，使得电抗器2的构型能够易于观察到。电抗器2设置在将在下面描述的叠置的冷却器81之间。如图1至图3所示，电抗器2包括壳体10以及设置在壳体10中的一对线圈12（第一线圈12a和第二线圈12b）。壳体10呈扁平状。电抗器2还包括填充在壳体10中的芯材（高透磁率芯材3和低透磁率芯材4）。高透磁率芯材3由于其被低透磁率芯材4所覆盖因而在图1中看不到。线圈12由于被低透磁率芯材4覆盖而实际上是不可见的；然而，线圈12在图1至图3中由实线示出以便于理解。在图2中，叠置的冷却器81的一部分由双点划线示出。

壳体10包括上冷却表面和下冷却表面101以及固定至冷却表面101的外周的侧表面102，并且冷却表面101中的每一个均设置成面向冷却器81。冷却表面101和侧表面102彼此正交，冷却表面101面向冷却器81的叠置方向，而侧表面102沿着该叠置方向延伸。成对线圈12与壳体10中介于它们之间的空间对准。出于减小叠置高度以及增大冷却区域的目的，壳体10形成为扁平的，并且侧表面102的面积（高度）相比于冷却表面101的面积而言相对较小。壳体10作为整体呈具有高度H、宽度W和深度D的大致长方体形状。这些尺寸具有宽度W＞高度H＞深度D的关系。坐标轴的X方向与电抗器2和冷却器81的叠置方向相对应。因此，壳体10是扁平状本体，在该壳体10中，在叠置方向上的深度D（侧表面102的高度）具有比面向叠置方向的冷却表面101的高度H和宽度W更小的值。由于壳体10的扁平状本体，壳体10能够保证与冷却器81相接触的大接触面积。因此，这实现了在叠置方向上与设置在两侧的冷却器81的优良的热传递效率。另外，在壳体10的端部处形成有狭缝103。

线圈12（第一线圈12a和第二线圈12b）中的每一个皆是通过平放地卷绕矩形线13而形成的，其中，矩形线13由诸如铜之类的金属制成，并且被卷绕的矩形线13被紧密地卷绕并在径向方向上以紧密配合的方式叠置。平放地卷绕指这样的构型：其中，矩形线13卷绕成使得线13的扁平表面在线圈12的径向方向上叠置。矩形线13的端部穿过壳体10的狭缝103、延伸至外部、并且连接至未图示的电源。

在图1中，CL表示成对线圈12的轴向方向。成对线圈12设置成在径向方向上彼此相邻，并且还设置成使得轴向方向CL以彼此平行的方式延伸。换句话说，成对线圈12在与轴向方向CL相交的方向上对齐，并且成对线圈12设置成使得成对线圈12的在径向方向上的外周面向彼此。另外，成对线圈12设置成在该对线圈12之间具有空间，并且矩形线13的最外侧外周的扁平表面面向彼此。彼此相邻的第一线圈12a和第二线圈12b优选地接近彼此。此外，线圈12中的每一个皆设置成使得其上端表面和下端表面皆面向壳体10的冷却表面101并且使得轴向方向CL面向壳体10的深度方向。换句话说，线圈12中的每一个皆设置成使得其轴向方向CL面向电抗器2和冷却器81的叠置方向（附图中的X方向）。

成对线圈12设置成使得矩形线13的卷绕方向彼此相反。在图3中示出的示例中，一个线圈12（第一线圈12a）的卷绕方向是顺时针的，而另一线圈12（第二线圈12b）的卷绕方向是逆时针的。换句话说，第一线圈2a和第二线圈12b沿彼此相反的方向卷绕。因此，成对线圈12构造成在电流流过该对线圈12时磁通方向彼此相反。在图2中示出的示例中，在第一线圈12a中产生的磁通的方向与箭头P方向相对应，而在第二线圈12b中产生的磁通的方向与和箭头P相反的箭头Q方向相对应。换句话说，在成对线圈12中产生的磁通的方向彼此相反。成对线圈12是串联连接的，并且第一线圈12a和第二线圈12b的矩形线13在相邻部分中连接。

线圈12周围的区域填充有芯材（高透磁率芯材3或低透磁率芯材4），并且芯材周围的区域被壳体10包围。芯材填充在成对线圈12与壳体10之间的空间中以及填充在第一线圈12a与第二线圈12b之间的空间中。

高透磁率芯材3均匀地填充在壳体10的中心部分中以覆盖第一线圈12a和第二线圈12b的相邻部分。更具体地，高透磁率芯材3覆盖成对线圈12的彼此相向的部分（相邻部分）。因此，成对线圈12的不面向彼此的部分从高透磁率芯材3暴露出。尽管未具体地限制填充在壳体10中的高透磁率芯材3的横向宽度A，但优选地是横向宽度A至少宽到足以覆盖成对线圈12的在彼此相向的一侧的内周表面（矩形线13的内周）。在本实施方式中，高透磁率芯材3覆盖每个线圈12的二分之一部分，相邻线圈12中的每一个的彼此相向的二分之一部分由高透磁率芯材3密封。另外，尽管未具体地限制高透磁率芯材3的深度B，但优选地是深度B至少高到足以覆盖线圈12的在线圈12的厚度方向上的上端和下端。在本实施方式中，高透磁率芯材3填充至线圈12的在线圈12的厚度方向上的上端的上方和下端的下方以覆盖每个线圈12。此外，尽管未具体地限制高透磁率芯材3的竖向宽度（高度）C，但优选地是，高度C至少宽到足以覆盖线圈12的在径向方向上的外周（矩形线13的最外侧外周）。高透磁率芯材3的透磁率高于低透磁率芯材4的透磁率并且例如能够设定为100H/m或更高。同时，低透磁率芯材4填充在高透磁率芯材3与壳体10之间的区域中。

低透磁率芯材4填充在从壳体10的中心部分至端部的整个区域中，覆盖整个高透磁率芯材3，并且还覆盖成对线圈12的不彼此相向的部分。换句话说，低透磁率芯材4均匀地填充在高透磁率芯材3周围的区域中并且覆盖高透磁率芯材3以及线圈12的从高透磁率芯材3暴露出来的部分。低透磁率芯材4的透磁率低于高透磁率芯材3的透磁率并且例如能够设定为10H/m至20H/m。高透磁率芯材3的透磁率以及低透磁率芯材4的透磁率能通过使用已知的透磁率测量装置来测量。

高透磁率芯材3和低透磁率芯材4皆能够由树脂和磁性材料的混合物形成。作为树脂，例如能够使用诸如环氧树脂或酚醛树脂之类的热固性树脂。作为磁性材料，例如能够使用铁氧体粉末、铁粉末、硅合金铁粉末等，并且能够优选地使用Fe-6.5Si。作为用于高透磁率芯材3和低透磁率芯材4的材料，能够使用具有10至50的相对透磁率的材料。相对透磁率是芯材的透磁率与真空透磁率的比率。更具体地，作为用于高透磁率芯材3和低透磁率芯材4的材料，当如图4所示绘制磁场H（A/H）与磁通密度B（T）的曲线图时，能够使用落在由介于树脂和Fe-6.5Si混合的材料的H-B曲线L1与Fe-3Si的压制粉末材料的H-B曲线L2之间的斜线表示的区域中的材料。图4的曲线中的每个倾斜均与透磁率相对应。

高透磁率芯材3和低透磁率芯材4能够通过双色模制而形成。换句话说，将高透磁率芯材3注塑模制在成对线圈12的相邻部分中，然后将低透磁率芯材4注塑模制在高透磁率芯材3的周围。

如图2和图3所示，高透磁率芯材3的覆盖第一线圈12a的部分以及高透磁率芯材3的覆盖第二线圈12b的部分在成对线圈12a、12b之间的区域中彼此连接。更具体地，高透磁率芯材3的覆盖第一线圈12a的部分以及高透磁率芯材3的覆盖第二线圈12b的部分在成对线圈12a、12b的一个端部侧上连续并且还在成对线圈12a、12b的另一端部侧上连续。在本实施方式中，高透磁率芯材3形成一个块，而成对线圈12a、12b的相邻部分嵌入在所述一个块中。从磁路的观点来看，高透磁率芯材3覆盖成对线圈12的相邻部分，使得在具有平行轴线并且在线的径向方向上对齐的成对线圈12中的每一个线圈中形成穿过每个线圈的环形磁路。低透磁率芯材4覆盖高透磁率芯材3、还覆盖线圈12、并且填充在线圈12的内侧。换句话说，低透磁率芯材4填充在线圈12的未填充有高透磁率芯材3的部分中。根据上述构型，如图2所示，当电流流过成对线圈12时，在第一线圈12a中产生沿箭头P方向的磁通，并且相反地，在第二线圈12b中产生沿箭头Q方向的磁通。然后，第一线圈12a的磁通和第二线圈12b的磁通结合以在成对线圈12的相邻部分中产生大磁通X，并且该大磁通X流过具有高透磁率的高透磁率芯材3。同时，在从高透磁率芯材3暴露出来的部分中所产生的磁通流过低透磁率芯材4。

接下来，将描述应用以上电抗器的功率变换器的示例。图5为包括电抗器的功率变换器的立体图。功率变换器90安装在混合动力电动车辆或电动车辆中以提高电池的DC（直流）功率以及将DC功率转换至具有适于驱动感应马达或PM马达的频率的AC（交流）功率。换句话说，功率变换器90包括升压变换器电路和逆变器电路。在所述电路中的每个电路中使用多个所谓的功率半导体元件。所述多个功率半导体元件容置在多个平板型的半导体模块82中。半导体模块82是通过用树脂对功率半导体元件中的一个或若干个进行模制而形成的。在图5中，未示出从半导体模块82延伸出的端子。功率半导体元件产生大量的热。因此，在功率变换器90中，多个平板型的半导体模块82以及多个平板型的冷却器81交替地叠置。由多个半导体模块82和多个冷却器81形成的叠置体被称为叠置单元80。除半导体模块82之外，电抗器2也叠置在叠置单元80中。更具体地，电抗器2被保持在冷却器81之间。电抗器2是升压变换器的其中一个部件。由于升压变换器的电路是公知的，因此将不再对其进行描述。

在叠置单元80中，相邻的冷却器81通过连接管83连接。另外，制冷剂供应管84a和制冷剂排放管84b均在叠置单元80的端部处连接至冷却器81。冷却器81是制冷剂所流过的流路，并且从制冷剂供应管84a供应的制冷剂经由连接管83分散至所有冷却器81。制冷剂在流过冷却器81中的流路的同时冷却相邻的半导体模块82或电抗器2。在制冷剂吸收半导体模块82或电抗器2的热量之后，制冷剂经由其他连接管83和制冷剂排放管84b排放至外部。

为了提高冷却效率，在叠置方向上对叠置单元80加压。叠置单元80容置在外壳91中，其一端压靠外壳91的内壁，并且在另一端部侧插设有板簧93。板簧93由外壳91的支柱92支承。在功率变换器90的外壳中，叠置单元80从板簧93接收沿叠置方向的压力。当在叠置方向上加压时，叠置单元80使半导体模块82与冷却器81之间的附着力以及电抗器2与冷却器81之间的附着力增大，从而提高了冷却器81的热传递效率。

现在将对如上构造的电抗器2的优点进行描述。根据本实施方式的电抗器2，因为成对线圈12的磁通方向彼此相反，所以可以通过结合每个线圈12的磁通来产生另外的大磁通X。因此，可以提高电抗器2的感应。另外，扁平壳体10尽管其尺寸较小但仍能够保证与冷却器81的接触面积。因此，可以提供能够提高感应、尺寸小并且能够易于被冷却的电抗器2

此外，在壳体10中，侧表面102的面积（高度）相对于冷却表面101的面积而言相对较小；因此，使深度D减小，并且磁通可能泄露至壳体10的外部。特别地，由于在成对线圈12的相邻部分中产生大磁通X，因此磁通更可能泄露至外部。考虑到这一点，根据上述构型，提供了覆盖成对线圈12的相邻部分的高透磁率芯材3以及覆盖高透磁率芯材3周围区域的低透磁率芯材4，并且成对线圈12中产生的大磁通X流过具有高透磁率的高透磁率芯材3。由此，可以抑制成对线圈12的相邻部分中的磁通的泄露。因此，可以抑制在电抗器2周围由于磁通的泄露而引起的涡流的产生，并由此可以抑制涡流损失。换句话说，如果不提供具有高透磁率的高透磁率芯材3，则所产生的大磁通X可能在电抗器2周围的区域泄露，并且例如可能由此在电抗器2周围的冷却器81等中产生涡流。相反，根据本实施方式，可以抑制磁通的泄露并且还可以抑制涡流损失。此外，低透磁率芯材4设置在高透磁率芯材3的周围。因此，即使在高透磁率芯材3磁饱和时，磁通仍穿过其周围的低透磁率芯材4，由此，低透磁率芯材4用作备用材料。因此，可以防止壳体10中芯材作为整体的磁饱和。

已经就一个实施方式进行了描述。然而，具体模式不限于以上实施方式。例如，尽管线圈12在以上实施方式中是通过平放地卷绕矩形线13来形成的，但如图6所示，线圈12可以是通过沿边缘卷绕矩形线13来形成的。沿边缘卷绕指这样的构型：其中，矩形线13的扁平表面被卷绕成在线圈12的轴向方向上叠置，并且矩形线13的叠置方向沿着线圈12的轴向方向。

图7为根据又一实施方式的电抗器的立体图，并且图8为沿图7的线VIII-VIII截取的截面图。在图7和图8中，与图1和图2中的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且将不重复对其的描述。在上述实施方式中，第一线圈12a和第二线圈12b彼此分离地设置。然而，如图7和图8所示，成对线圈12可以彼此相邻并彼此接触。另外，尽管在上述实施方式中提供了高透磁率芯材3和低透磁率芯材4，但可以不必然填充两种类型的芯材，而是可以填充一种类型的芯材。在图7和图8中示出的示例中，相邻的成对线圈12（第一线圈12a和第二线圈12b）的在径向方向上的外周彼此接触，并且在整个壳体10中填充低透磁率芯材4。在第一线圈12a和第二线圈12b的相邻部分中，矩形线13的最外侧外周的扁平表面紧密地配合。在该构型中，第一线圈12a和第二线圈12b通过涂覆线圈12a、12b中的每一个的瓷漆（enamel）来绝缘。此外，替代以上实施方式中的高透磁率芯材覆盖成对线圈12的相邻部分的构型，低透磁率芯材4覆盖整个成对线圈12。因此，第一线圈12a和第二线圈12b的相邻部分被低透磁率芯材4覆盖。

根据这种构型，因为成对线圈12的相邻部分彼此接触，所以线圈12可以以紧密配合的方式设置在壳体10中。这允许减小壳体10的尺寸。相应地，可以减小电抗器2的尺寸。更具体地，如果成对线圈12（第一线圈12a和第二线圈12b）的磁通方向相同，则必须确保用于使在线圈12a、12b中的每一个中所产生的磁通流过的空间，并且还必须使成对线圈12a、12b分离以避免彼此接触。然而，根据本文中公开的技术，成对线圈12a、12b的磁通方向彼此相反，并且在线圈12a、12b中的每一个中所产生的磁通彼此结合。相应地，不需要确保用于每个磁通流过的空间。因此，可以通过使成对线圈12a、12b接触来减小电抗器2的尺寸。

在图7和图8中示出的示例中，低透磁率芯材4填充在壳体10中。然而，构型并不限于此。替代低透磁率芯材4，可以将高透磁率芯材3填充在壳体10中。另外，不特别限制填充在壳体10中的芯材的透磁率的大小。此外，如在上述图1至图3的示例中那样，可以在壳体10中填充高透磁率芯材3和低透磁率芯材4两者。即，如上所述，高透磁率芯材3可以覆盖成对线圈12的相邻部分，而低透磁率芯材4可以覆盖线圈12的从高透磁率芯材3暴露出来的部分。

在上述实施方式中，使用了两个线圈12。然而，如图9所示，可以使用四个线圈12。并且在该实施方式中，相邻线圈12的卷绕方向彼此相反。另外，不特别限制线圈12的数目，因此能够增加线圈12的数目。

在电抗器2中，为了提高从线圈12至冷却器81的热传递效率，壳体10的深度D优选地设定成尽可能最小以增大扁平率。由此，线圈12的端部与冷却器81之间的距离优选为在叠置方向上观察时较短。当线圈12的端部与冷却器81之间的距离减小时，高透磁率芯材3的从线圈12的在轴向方向上的端部起至高透磁率芯材3的外侧的厚度减小。高透磁率芯材3的该厚度部分构成在成对线圈12之间成环形地形成的磁路的一部分。然而，厚度的减小表示磁路变狭窄。如果磁路变狭窄，则磁力线所穿过的区域减小，从而可能发生磁饱和。此外，通常，磁饱和更有可能在较高的透磁率的情况下发生。因此，当壳体10构造成扁平的并且采用高透磁率芯材3时，可能发生磁饱和。如果发生磁饱和，则流经芯材的外部的磁通（所谓的泄露的磁通）增大。同时，冷却器81设置在电抗器2中的壳体10的两侧，并且冷却器81趋于由金属制成。如果从高透磁率芯材3泄露的磁通穿过扁平壳体10中的金属冷却器81，则产生涡流。考虑到这一点，以低透磁率芯材4包围高透磁率芯材3。如图4所示，通常，在较低的透磁率的情况下不太可能发生磁饱和。通过用低透磁率芯材4来包围高透磁率芯材3，从高透磁率芯材3泄露的磁通被低透磁率芯材4吸收，从而减少穿过冷却器81的磁通。

目前已对本发明的实际示例进行了详细描述。然而，本发明的实际示例仅为示例，因此不限制权利要求的范围。在权利要求的范围内所描述的技术包括对上述实际示例所做的各种改型和变型。本说明书和附图中描述的技术元件在单独使用或以各种组合的方式使用时说明技术效用，因此不限于在原申请中的权利要求中所描述的组合。本说明书和附图中示出的技术同时实现了多个目的，并且所述多个目的的一个目的的实现本身即具有技术实用性。

Claims (5)

1.一种能够设置在叠置的冷却器（81）之间的电抗器（2），所述电抗器的特征在于包括：

扁平壳体（10）；

一对线圈（12），所述一对线圈（12）：（i）位于所述扁平壳体（10）中、（ii）沿彼此相反的方向卷绕、以及（iii）设置成在所述线圈的径向方向上彼此相邻；以及

芯材，所述芯材覆盖所述扁平壳体中的所述线圈。

2.根据权利要求1所述的电抗器，其中，

所述一对线圈中的线圈在与所述线圈卷绕的轴向方向相交的方向上对齐。

3.根据权利要求1或2所述的电抗器，其中，

所述芯材包括高透磁率芯材（3）和低透磁率芯材（4），所述高透磁率芯材覆盖所述一对线圈中的每个线圈的第一部分，而所述低透磁率芯材覆盖所述高透磁率芯材并覆盖所述一对线圈中的每个线圈的未被所述高透磁率芯材覆盖的第二部分。

4.根据权利要求3所述的电抗器，其中，

所述一对线圈包括第一线圈（12a）和第二线圈（12b），以及

所述第一线圈的第一部分和所述第二线圈的第一部分彼此相向并且被所述高透磁率芯材覆盖，而所述第一线圈的第二部分和所述第二线圈的第二部分不彼此相向并且不被所述高透磁率芯材覆盖。

5.根据权利要求1至4所述的电抗器，其中，

所述一对线圈中的所述线圈的在所述径向方向上的外周彼此接触。